CN110235050A - 一种衍射光学元件的制造方法 - Google Patents

一种衍射光学元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

公开了生产DOE、HOE和菲涅耳光学元件的制造方法。这些方法能够实现具有高精度的低成本制造。该方法包括光刻、卷对卷压印和UV铸造。

Description

一种衍射光学元件的制造方法
相关申请的交叉引用
本申请是2016年9月9日提交的临时申请62/495,286的非临时申请（Non-provisionalApplication）。申请62/495,286是2014年6月27日提交的专利申请PCT/US2014//000153的部分继续申请（CIP），专利申请PCT/US2014//000153是2013年6月27日提交的临时申请61/957,258的非临时申请。
技术领域
本发明涉及一种衍射光学元件（DOE）的制造方法，从而实现结合对称性与非对称性的蚀刻的更精确的制作。更特别地，本发明涉及消除DOE的不期望的壁和尖锐边缘。
背景技术
对于诸如可穿戴显示器、眼镜显示器和短距离投影显示器之类的新显示器而言，衍射光学元件正变得非常重要。传统的光学系统限于球面和非球面透镜或反射镜，两者都具有旋转对称性，以便于制造和制作。然而，这些传统的光学器件不能提供用于非常适合于可穿戴显示器的透视显示器的所有必要的光学元件。DOE实现了非常紧凑且透视的显示器。然而，制造方法不一定是以精确和经济的方式建立的。特别是，光刻精度是DOE精度的限制因素。DOE具有锯齿形表面，并且该表面通常用多层级阶梯加以近似，使得本半导体技术能够利用光刻和蚀刻工具实现其制造。
根据Swanson 在1989年提出的“二元光学技术”，可以用N个掩模做出2N个多层级阶梯。制造方法的一个示例是：1）准备两组掩模，如图1中的（1001）和图2中的（2001）；2）准备涂有光致抗蚀剂（1006）的衬底（1005）；3）将掩模（1001,1002,1004）覆盖在衬底上；4）用通过掩模的UV光（1003）来使光致抗蚀剂曝光，使得掩模的图案将转移到光致抗蚀剂上；5）使光致抗蚀剂显影（develop），使得未曝光区域（1008）将保留；6）使用诸如RIE（反应离子蚀刻）来垂直蚀刻，以产生第一（3003和3006）和第三（3005）和3008）层级（2010）；7）用第二掩膜重复相同的过程，以产生第二（3007）和第四（3009）层级。如果相同的过程重复N次，则会产生2N个层级。
然而，两个掩模之间的一些未对准将导致光致抗蚀剂覆盖了不需要的区域（4003,4004和4005），并产生栅栏（fence）（如4006和4008的壁形突起）。这些栅栏是不期望的，并且对衍射性能产生负面影响。
本发明将示出如何消除这些不希望的栅栏，使得可以更精确地制造DOE。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种没有栅栏的DOE的制造方法，如图5所示。半导体工业通常使用RIE（反应离子蚀刻）工具进行垂直蚀刻。然而，当掩模未对准时，这将留下栅栏。例如，如果衬底是硅，则SF6和/或CH4通常被用作用于各向异性（垂直）蚀刻的蚀刻剂，并且这些将留下栅栏。为了消除栅栏，水平蚀刻是必要的，并且可以使用各向同性的蚀刻剂（诸如，Cl2+HBr+He+O2）来实现这一点。
如果衬底是SiO2，则用于垂直蚀刻的蚀刻剂的示例是C4F8+CO+O2+Ar。可以用蒸气HF或湿HF来实现水平蚀刻。
本发明的另一个示例是使用具有光的灰度级透射或反射的模拟掩模以做出具有基本上更多的层级或接近平缓的斜率的DOE。前面的示例包含单比特掩膜（黑色和白色）和多个掩膜。这种具有灰度级的模拟掩模具有更多比特的透射或反射水平，并且仅使用单个掩模来实现锯齿形斜率。各向同性和各向异性的蚀刻剂的组合将消除尖角并使斜率更平缓。
本发明的另一个示例是使用具有灰度级能力的无掩模曝光系统。具有控制模拟尺度（analog scale）或LCOS中的反射镜倾斜角度的能力的微反射镜可以执行为无掩模曝光系统，其可以控制模拟尺度中的像素的反射。
附图说明
图1示出了DOE制造的过程流程的示例。1001是光掩模的平面图，并且1002是具有图案（1004）的光掩模的正视图。1005是涂有光致抗蚀剂（1006）的衬底。1003是曝光光。用光（1003）使光致抗蚀剂（1006）曝光，并且在显影之后将掩模图案（1004）复制到光致抗蚀剂（1008）。通过蚀刻剂的垂直流动（1007）来蚀刻具有图案化的光致抗蚀剂的衬底（1009）。在蚀刻之后，衬底将具有两个层级。
图2示出了DOE制造的第二光刻过程流程的示例。2001是光掩模的平面图，并且2002是具有图案（2004）的光掩模的正视图。2005是具有两个层级且涂有光致抗蚀剂（2006）的衬底。2003是曝光灯。用光（2003）使光致抗蚀剂（2006）曝光，并且在显影之后将掩模图案（2004）复制到光致抗蚀剂（2008）。通过蚀刻剂的垂直流动（2007）来蚀刻具有图案化的光致抗蚀剂的衬底（2009）。在蚀刻之后，衬底将具有四个层级。
图3示出了如果第一和第二掩模之间的掩模对准是完美的，则衬底将具有四个层次而没有任何栅栏或沟槽。
图4示出了如果第一和第二掩模之间的掩模对准不完美并且光致抗蚀剂覆盖了衬底的侧壁，则将存在栅栏（4006,4008）和突起（4007）。这些对于衍射而言是有害的，并且衍射效率和衍射方向可能从所设计的值改变。
图5示出了使用水平蚀刻来消除栅栏的本发明的一个示例。
图6示出了创建多层级DOE的制造方法的另一个示例。具有模拟灰度级图案（6001,6002和6003）的光掩模用于使光致抗蚀剂层（6008）曝光，其中6001为黑色，6002为灰色，6003为白色。光掩模可以是透射或反射掩模。模拟意味着灰度级是通过改变每个像素的透射或反射而产生的。掩模可以是在灰度级的多个层级中具有可控光反射或透射的显示装置。用曝光光（6007）使光致抗蚀剂曝光。因为通过显影对抗蚀剂的蚀刻深度是曝光光的强度的函数或优选地与曝光光的强度成比例，所以将形成多层级阶梯（6004,6005和6006）。因为是单个掩膜，因此将比以前的方法更容易获得更加多的层级。然而，仍会保留竖琴状的角，这会对衍射效率产生负面影响。斜率越平缓，效率越高。
图7示出了DOE制造方法的另一个示例，其中每个像素的灰度级是通过数字方式而产生的，从而意味着每个像素具有不同百分比的黑色和白色区域。
图8示出了本发明的一示例，其中除了各向异性蚀刻之外，通过各向同性蚀刻来蚀刻掉阶梯（8004,8005）的尖角。
具体实施方式
本发明的目的是制造高质量的DOE。本发明实施例的示例方法是：1）确定DOE的相移函数。相移函数被定义为：表示到DOE的入射光波与来自DOE的出射光波之间的光波相位差的函数，如图9所示。传统的光学系统仅允许固定量的相移，诸如由透镜的斜率和折射率确定的折射或反射镜的对称反射。在DOE或HOE（全息光学元件）的情况下，在理论上允许任何移位。这将提供极大的自由。2）如图10所示，通过以每2π进行切割，计算来自相移函数的切片相移函数。如果DOE是透射的，则切片相位函数的高度是λ/（n-1），其中λ是入射波的波长，并且n是衬底的折射率。如果DOE是反射的，则该高度为λ/2；3）准备诸如玻璃（透射）或硅（反射）之类的衬底。4）在衬底上应用光致抗蚀剂。5）准备N片光掩模，其产生2N个层级的阶梯，这些阶梯在每个位置处的斜率对应于所述切片相移函数的斜率。6）将光掩模的图案曝光到光致抗蚀剂上。7）使曝光的光致抗蚀剂显影。8）在光致抗蚀剂的开口处，用诸如反应离子蚀刻（RIE）之类的垂直蚀刻以λ/（n-1）（在透射的情况下）或λ/2（在反射的情况下）的深度对衬底进行蚀刻。9）除去光致抗蚀剂。10）连续地使用N个掩模中的一个来重复4）至9）（N-1）次。11）用各向同性或水平的（一个或多个）蚀刻剂来蚀刻衬底，以去除任何栅栏和突起，如图5所示。栅栏（5005和5006）不能通过垂直蚀刻（5007）被蚀刻掉，这是因为利用垂直蚀刻的回蚀是共形的。移除栅栏需要水平蚀刻。水平蚀刻（5008）可以用各向同性蚀刻剂来实现，该各向同性蚀刻剂诸如：用于硅衬底的与HBr、He和O2组合的Cl2，和用于SiO2衬底的蒸汽HF或湿HF。
在图6和图8中示出了本发明的实施例的另一个示例。步骤是：1）确定DOE的相移函数。相移函数被定义为：表示到DOE的入射光波与来自DOE的出射光波之间的光波相位差的函数，如图6所示。3）准备诸如玻璃（透射）或硅（反射）之类的衬底。4）在衬底上应用光致抗蚀剂。5）准备单个光掩模，其利用以模拟方式的灰度级图案表示切片相移函数，其中整个单个像素的透射或反射相对均匀。6）将光掩模的图案曝光到光致抗蚀剂上。7）使曝光的光致抗蚀剂显影。8）用诸如反应离子蚀刻（RIE）之类的垂直蚀刻以λ/（n-1）（在透射的情况下）或λ/2（在反射的情况下）的深度对衬底进行蚀刻，以形成切片相移函数的形状。9）除去光致抗蚀剂。10）用各向同性或水平的（一个或多个）蚀刻剂来蚀刻衬底，以去除任何尖角和突起，如图8所示。去除尖角和突起需要水平蚀刻。水平蚀刻可以用各向同性蚀刻剂来实现，该各向同性蚀刻剂诸如：用于硅衬底的与HBr、He和O2组合的Cl2，和用于SiO2衬底的蒸汽HF或湿HF。
图7中示出了本发明的实施例的另一个示例。步骤是：1）确定DOE的相移函数。相移函数被定义为：表示到DOE的入射光波与来自DOE的出射光波之间的光波相位差的函数，如图6所示。3）准备诸如玻璃（透射）或硅（反射）之类的衬底。4）在衬底上应用光致抗蚀剂。5）准备单个光掩模，其利用以数字方式的灰度级图案表示切片相移函数，其中在像素中打印微小尺寸的黑白图案，并基于灰度级强度来确定黑色的密度，并且曝光系统的分辨率尽管如解析（resolve）像素尺寸时那样好，但却不如解析微小的黑白图案时那样好。6）将光掩模的图案曝光到光致抗蚀剂上。7）使曝光的光致抗蚀剂显影。8）用诸如反应离子蚀刻（RIE）之类的垂直蚀刻以λ/（n-1）（在透射的情况下）或λ/2（在反射的情况下）的深度对衬底进行蚀刻，以形成切片相移函数的形状。9）除去光致抗蚀剂。10）用各向同性或水平的（一个或多个）蚀刻剂来蚀刻衬底，以去除任何尖角和突起，如图8所示。去除尖角和突起需要水平蚀刻。水平蚀刻可以用各向同性蚀刻剂来实现，该各向同性蚀刻剂诸如：用于硅衬底的与HBr、He和O2组合的Cl2，和用于SiO2衬底的蒸汽HF或湿HF。

Claims (5)

1.一种制造方法，具有以下步骤：
计算DOE的相移函数以2π的间距将相移函数切割成切片相移函数，使得具有锯齿形状的切片相位函数具有与每个切片中的所述相移函数的斜率相同的斜率，以及准备N片光掩模，其产生2N个层级的阶梯，这些阶梯在每个位置处的斜率对应于所述切片相移函数的斜率，以及准备能够用所述光掩模使光致抗蚀剂曝光的曝光系统，以及准备涂有光致抗蚀剂的衬底，以及用所述光掩模使光致抗蚀剂曝光，以及使曝光的光致抗蚀剂显影以做出锯齿形脊，以及利用锯齿形脊的顶部在所述光致抗蚀剂上蚀刻所述衬底，以利用各向异性蚀刻剂在衬底上产生锯齿脊的比例形状，以及利用各向同性蚀刻剂来蚀刻具有栅栏和尖角的衬底，以去除栅栏和尖角。
2.一种制造方法，具有以下步骤：计算DOE的相移函数以2π的间距将相移函数切割成切片相移函数，使得具有锯齿形状的切片相位函数具有与每个切片中的所述相移函数的斜率相同的斜率，以及准备光掩模，其具有以模拟方式的灰度级的图案，该灰度级在每个位置处的斜率对应于所述相移函数的斜率，以及准备能够用所述光掩模使光致抗蚀剂曝光的曝光系统，以及准备涂有光致抗蚀剂的衬底，以及用所述光掩模使光致抗蚀剂曝光，以及使曝光的光致抗蚀剂显影以做出锯齿形脊，以及利用锯齿形脊在所述光致抗蚀剂上蚀刻所述衬底，以利用各向异性蚀刻剂在衬底上产生锯齿脊的比例形状，以及利用各向同性蚀刻剂来蚀刻具有尖角的衬底以去除尖角。
3.一种制造方法，具有以下步骤：
计算DOE的相移函数以2π的间距将相移函数切割成切片相移函数，使得具有锯齿形状的切片相位函数具有与每个切片中的所述相移函数的斜率相同的斜率，以及准备光掩模，其具有以数字方式的灰度级的图案，该灰度级在每个位置处的斜率对应于所述相移函数的斜率，以及准备能够用所述光掩模使光致抗蚀剂曝光的曝光系统，以及准备涂有光致抗蚀剂的衬底，以及用所述曝光系统使光致抗蚀剂曝光，使得曝光光的强度分布对应于切片相位函数，以及使曝光的光致抗蚀剂显影以做出锯齿形脊，以及利用锯齿形脊在所述光致抗蚀剂上蚀刻所述衬底，以利用各向异性蚀刻剂在衬底上产生锯齿脊的比例形状，以及利用各向同性蚀刻剂来蚀刻具有尖角的衬底以去除尖角。
4.一种制造方法，具有以下步骤：
计算DOE的相移函数以2π的间距将相移函数切割成切片相移函数，使得具有锯齿形状的切片相位函数具有与每个切片中的所述相移函数的斜率相同的斜率，以及准备具有带有2D像素阵列的投影显示器的曝光系统，其能够以灰度级控制来自每个像素的投射光的强度，以及准备涂有光致抗蚀剂的衬底，以及利用所计算的图案的强度使光致抗蚀剂曝光，以及使曝光的光致抗蚀剂显影以做出锯齿形脊，以及将光致抗蚀剂的形状复制到由较硬材料制成的模具，通过来自下述各项的组的方法将所述形状从模具复制到塑料材料：热压、UV铸造、卷对卷热压印和卷对卷UV铸造。
5.一种制造方法，具有以下步骤：
计算DOE的相移函数以2π的间距将相移函数切割成切片相移函数，使得具有锯齿形状的切片相位函数具有与每个切片中的所述相移函数的斜率相同的斜率，以及准备具有带有2D像素阵列的投影显示器的曝光系统，其能够以灰度级控制光的强度，以及准备涂有光致抗蚀剂的衬底，以及利用所计算的图案的强度使光致抗蚀剂曝光，以及使曝光的光致抗蚀剂显影以做出锯齿形脊，以及用较硬材料覆盖具有脊的光致抗蚀剂以形成模具，通过来自下述各项的组的方法将所述形状从模具复制到塑料材料：热压、UV铸造、卷对卷热压印和卷对卷UV铸造。
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